Коанда в помощь. Как главная техническая новинка года повлияла на болиды «Формулы-1»
Изменения в техническом регламенте «Формулы-1», вступившие в силу в 2012 году, в большей степени были направлены на сокращение излишнего влияния выхлопных газов на аэродинамику болида, ведь с 2010 года, после того как «Ред Булл» представил первую модель выдувного диффузора (и получил огромную выгоду в первой половине сезона от такого решения), другие команды с тем или иным отставанием внедрили аналогичные системы с направлением горячего выхлопа в область диффузора.
В итоге, несмотря на то, что скорость на прямых за два года особенно не возросла, в поворотах она увеличилась. И чтобы избежать дальнейшей гонки технологий, ФИА жестко регламентировала положение выхлопной трубы, обязав команды направить отработанные газы вверх под некоторым углом.
Однако уже на предсезонных тестах в 2012 году коллективы показали варианты новых выхлопных систем, в которых шлейф газов причудливым способом вновь направлялся вниз, в область днища, примыкающей к диффузору.
В этом инженерам помогли два аэродинамических эффекта. Один из них – старый и давно знакомый эффект скоса; второй – сравнительно новый для «Формулы-1» эффект Коанда.
Изобретатель этого эффекта, румынский ученый Анри Коанд, обнаружил, что струя жидкости, вытекающая из сопла, стремится отклониться по направлению к ближайшей стенке и, при некоторых условиях «прилипает» к ней. Это объясняется тем, что эта стенка препятствует поступлению воздуха к струе с закрываемой стороны, создавая вихревые токи в зоне пониженного давления. А так как аэро и гидродинамики работают по одним и тем же законам, но с некоторыми приближениями, то эффект Коанда успешно перекочевал и в «Формулу-1».
Изначально команды использовали разные решения и различные комбинации этих двух эффектов, однако первыми наиболее удачный на тот момент способ формирования выходного канала в боковых понтонах нашли в «Макларене». Инженеры английской конюшни нашли возможность последовательно направлять выхлопную струю в зазор между диффузором и задним колесом. Решение «Макларена» уже спустя пару гонок было перенято большим количеством команд-участниц, и название «эффект Коанда» стало нарицательным для сезона-2012.
Другим направлением развития в этой области стали системы, представленные «Ред Булл» и «Заубером» – наибольшее влияние на аэродинамику машин этих команд скорее производил эффект скоса, чем Коанда.
Выгоды выдувных диффузоров
Как и многим другим аэродинамическим устройствам, диффузору для генерирования прижимной силы требуется воздушный поток. У гоночного автомобиля скорость воздушного потока меняется в зависимости от маневров по трассе, и главная загвоздка в том, что машине, как правило, нужно больше прижимной силы в медленных поворотах, именно тогда, когда поток воздуха, влияющий на диффузор, минимален.
Выхлопные газы, в сезоне 2010-2011 годов, работающие как газовая турбина, а в этом сезоне – как неплохой кулер, значительно ускоряют воздушный поток над стенками диффузора. Ускорение потока приводит к падению давления потока, а значит, вокруг кромок диффузора возникает область близкого по параметрам воздушного окружения, защищающего диффузор от паразитных внешних потоков наподобие юбок, применяемых в 80-х годах прошлого столетия.
Быстро движущиеся струи выхлопных газов продуваются через диффузор для двух эффектов. Во-первых, благодаря этому через диффузор проходит больше воздуха, и тот генерирует больше прижимной силы.
Второй эффект – герметизация краев диффузора, и это большая выгода при внедрении выдувных диффузоров, так как с 2011 года поток газов должен дуть вдоль стенок устройства, создавая эффект юбки, закрывающей диффузор от утечки потока.
Так как внутри диффузора возникает низкое давление, в эту конструкцию засасываются воздушные потоки извне и тем самым снижают прижимную силу машины. Кроме того, возмущенный воздушный поток от шин «задевает» боковые края диффузора, что приводит к «разгерметизации» внешних секций элемента.
Если предотвратить эти моменты, то диффузор окажется эффективнее, и команды смогут работать с более высоким задним дорожный просветом, который фактически сделает диффузор крупнее, а значит повысит возможность генерировать больше прижимной силы.
Как перенаправить выхлопную струю?
Если расположить выхлопные трубы вне корпуса, выхлопная струя будет дуть вверх
В 2012 году регламент предписывает размешать выхлопные трубы минимум на 25 см выше плоскости днища и задолго до диффузора, а также запрещает любые кузовные элементы над выхлопными потоками, которые могут быть использованы для отклонения струи вниз.
Более того, с 2009 года боковые понтоны уже ограничены правилами кривизны и минимального радиуса, так что команды оказались сильно ограничены в возможностях манипулировать шлейфом выхлопа.
Об эффективном боковом решении размышляло несколько коллективов, но реализация эффекта Коанда наиболее успешно была произведена «Маклареном». С помощью этой пристройки к понтону (см. рисунок) выхлопная струя проходит вниз по каналу за патрубком выхлопной трубы из-за эффекта Коанда и потока воздуха, проходящего над понтоном (скос).
Изогнутая поверхность воздуховода выхлопной трубы направляет поток газов так, чтобы те «изгибались» с помощью эффекта Коанда
Эффект Коанда – тенденция выходящей струи газа или жидкости двигаться вдоль стенок контура, даже если направление кривизны отличается от направления оси выхода.
Выход выхлопной трубы находится внутри глубокого желоба боковой пристройки к понтону, в нижней части этого канала начинается путь потока горячих газов, а затем искривленный канал направляет их вниз, направляя к краю диффузора.
Изначально выхлопная струя уходит на 10 градусов вверх, но за счет эффекта Коанда шлейф пытается следовать кривизне канала, что помогает струе изгибаться вниз.
Поскольку канал заканчивается острым краем, выхлопная струя продолжает двигаться по инерции вниз, пока не падает на днище.
Используя эффект Коанда, конструкторы направляют выхлопные газы только в сторону диффузора
Эффект скоса – отклонение вниз потока воздуха
Форма боковых понтонов перед выхлопной трубой также склоняется вниз, что заставляет воздушный поток скатываться вдоль поверхности корпуса. Этот эффект называется скосом.
В рассматриваемом болиде «Макларена» этот поток начинает формироваться еще в передней части понтона и действует немного иначе, чем на машинах конкурентов.
В отличие от вертикальных «плавников», которые лишь направляют потоки, у команды из Уокинга над боковыми воздухозаборниками установлена горизонтальная планка, которая захватывает много воздуха. Однако из-за того, что понтон немного приподнимается к концу планки, воздух уплотняется и «прилипает» к корпусу понтона, двигаясь дальше к выхлопной системе устойчиво вдоль корпуса, несмотря на то, что корпус плавно опускается к задним колесам, а эффект сжатия больше не присутствует.
При соприкосновении с потоком выхлопных газов скатывающийся холодный поток также отклоняет выхлоп вниз. Этот эффект хорошо рассмотрен в физике и часто называется «движение струи в поперечном потоке».
С помощью этих двух эффектов – Коанда и скоса – даже при низкой скорости струя горячих газов отклоняется к днищу, используя эффект выхлопного диффузора в медленных поворотах именно тогда, когда прижимная сила требуется больше всего.
Благодаря скосу потока по понтону выхлопная струя направляется вниз, к диффузору
Тоннельные эффекты
Одна из проблем при проектировании поведения выхлопного потока в области сужающегося корпуса болида (так называемого «бутылочного горлышка»), является наличие двух основных воздушных потоков.
Первый поток – это струи воздуха, окружающие болид по бокам, которые за счет сужения корпуса уходят в пространство между задними колесами для уплотнения потока над диффузором.
Второй поток – это собственно выхлопные газы, которые пытаются добраться до края диффузора около колес.
В какой-то момент эти два потока – хотим мы этого или нет – пересекаются и смешиваются, приводя к дисбалансу между расчетами и реальностью.
По ходу сезона «Ред Булл» создал тоннельное решение, при котором потоки окружающего воздуха «упаковываются» в тоннель под выхлопной системой и отводятся к центральной зоне диффузора. При этом горячий и холодный потоки практически не смешиваются, проходя друг под другом.
Решение «Макларена» частично решает эту проблему. Выхлопной выход модифицировался по ходу сезона в подобие ниспадающей трубы а-ля «Феррари», обеспечивая «окружающему» воздуху открытый тоннель между корпусом сбоку и «трубой» сверху. Однако при этом немного воздуха из этого потока неизбежно попадает в выхлопную струю, и выхлопной шлейф частично перенаправляется вовнутрь. Чтобы этого не происходило, в «Макларене» выдвинули выхлопной канал еще дальше наружу, чем это казалось необходимым, чтобы на скорости окружающие потоки толкали выхлоп обратно в нужное место.
Таким образом, вроде бы далекий от выхлопного патрубка тоннельный эффект стал необходимым дополнением к выдувным диффузорам этого года.
Где теряется тепло?
Действительно, выхлопные струи, вырывающиеся из патрубка трубы, раскалены примерно до 750 градусов Цельсия. Однако днище около диффузора не покрыто защитными покрытиями, как на болидах в сезоне 2011 года.
Это связано с еще одной особенностью эффекта Коанда – следуя каналу, поток газа значительно теряет тепловую энергию, тратя ее на обогрев стенок тоннеля.
Температуры около 150 градусов Цельсия типичны на уровне днища с выхлопной системой Коанда, и с этими температурами гораздо легче иметь дело, чем в 2010-2011 годах.
Кто с какой системой работает?
С эффектом Коанда сейчас работает подавляющая часть пелотона. Но это весьма модифицированные системы, объединившие в себе задумку «Макларена» и оригинальный выхлопной тоннель «Феррари», сделавший возможным открытые снаружи нижние тоннели для разделения потоков. Это «Форс-Индия», «Торо Россо», «Уильямс», «Катерхэм» и «Заубер», а в последних гонках – «Мерседес» и «Лотус».
«Ред Булл» со своим решением практически в полном одиночестве – лишь у скромной «Маруси» система близка к оригиналу «Заубера» и «быков».
И только «ХРТ» остается с простой выхлопной системой…
Что ждет «Формулу-1» в сезоне-2013?
Регламент в области выхлопных систем сохраняет стабильность в следующем году, а это означает только одно – гонка технологий будет продолжена, каждая конюшня внимательно пересмотрит конструкцию выхлопной системы, чтобы создать идеальный скос понтона и оптимальное использование эффекта Коанда.
По материлам Autosport и блога Крейга Скарборо
Служенье быстроте не терпит суеты. Обзор технических новинок «Формулы-1»
Ждем новых результатов по ко Коанду тогда!:)
1. Если вы о горизонтальной планке возле начала понтона, то уплотнение потока над ним никак (или совсем незначительно) не влияет на прижимную силу. Уплотняя поток в этом месте, «Макларен» добился только одного эффекта - большего, чем у других прилипания потока над всей плоскостью (верхней) понтона, эффектной транспортировки струи до выхлопного канала вдоль корпуса, т.е. добился эффекта, запрещенного регламентом - «никаких корпусных элементов над выхлопной трубой!»(чтобы отклонять струю вниз). В данном случае этот поток воздуха над понтоном является неплохой заменой корпусному «отклонятелю» - он отклоняет вектор выхлопа вниз, где работает уже и эффект Коанда.
То есть эффект скоса усиливается этой планкой.
2 Ускоряя поток вокруг стенок диффузора мы отсекаем паразитные струи и потоки от вращающегося колеса (а там и воздух от тормозных дисков и турбулентные потоки от вращения колеса и т.п., предсказать поведение которых в разных ситуациях (движение по прямой, управляемый занос, скольжение в быстром или движение в медленном повороте) очень сложно. Кроме того, камера диффузора идеально работает только в идеальных условиях, то есть тогда когда она не ополовинивается по обьему за счет того, что с верхней и боковых сторон не засасывается воздух более высокого давления, чем в диффузоре. А окружающие потоки априоре являются более высоконапорными, так как в камере диффузора воздух (при движении), изначально поступивший в начале, непрерывно разряжается(расширяется) за счет того, что камеры увеличиваются (вверх и в стороны). Именно эта разряженность движущихся потоков в камере и прижимает машину.
3. Тут сказать нечего. Я подробно описал все выше в п.1-2. и отбрасывается за ненадобностью)
(про написанное в скобках. Тут моих знаний уже не хватает. НО все же, по известным прикидам, раньше, да появления хитрых диффузоров, прижимная сила создавалась в таких пропорциях: Диффузор и днище - до 50%, антикрылья - примерно по 20%, прочая аэродинамика - 5-10%. И, хотя любой другой кузовной элемент на что-то влияет, этим скорее можно пренебречь.)
Извините док, пишу быстро, где-то возможны мелкие ошибки и неточности.
Кто хочет поискать неграмотность в русском языке в комментах - прошу дать скидку в 50%.
1. Если вы о горизонтальной планке возле начала понтона, то уплотнение потока ПОД НЕЙ (ПЛАНКОЙ) никак (или совсем незначительно) не влияет на прижимную силу.
А слово кулер хотя и происходит от английского cool, все-же зачастую употребляется как вентилятор. Ваше слово «нагнетатель» гораздо точнее.
Сегодня имел удовольствие посмотреть последнее творение Тимура Бекмамбетова «Президент Линкольн: Охотник на вампиров». Если в летящие по дуге пули («Особо опасен») я еще верил, то тут полная ахинея.
Но завораживает, впрочем, как и технические новинки в Формуле-1.
Сегодня имел удовольствие посмотреть последнее творение Тимура Бекмамбетова «Президент Линкольн: Охотник на вампиров». Если в летящие по дуге пули («Особо опасен») я еще верил, то тут полная ахинея.
Но завораживает, впрочем, как и технические новинки в Формуле-1.
1. Ускорили поток над понтоном (потеряли некоторую часть давления воздуха на понтон - прижимная уменьшилась)
2. Ускорили поток вокруг диффузора (сократили потери скорости потока в диффузоре, а соответственно, потери прижимной силы из-за этого тоже уменьшились - прижимная возросла).
3. Прирост прижимной силы в п. 2 оказался больше, чем потеря прижимной силы в п. 1.
Верно ли? Если да, то при трактовке исходной фразы, вызвавшей мой вопрос, вы стали для меня Шерлоком Холмсом, который показал первый и последний шаг рассуждений, опустив цепочку :).
(Про подъемную силу я имел в виду вот что. Если рассматривать два вектора действия аэродинамических сил: давление воздуха сверху вниз и давление воздуха снизу вверх, то при ускорении потока над понтоном вектор сверху вниз уменьшится, а тот, что снизу вверх - увеличится. Их сумма, в случае Ф1, очевидно, все равно будет направлена вниз, но станет меньше по модулю.)
Действительно, ускоряя поток, мы уменьшаем давление и оно, если не сравнивается, то хоть приближается к давлению в диффузоре. А значит, приход потоков извне менее вероятен, так как давления близки, а не различны. Т.е. чем выше скорость, тем ниже давление.
Это, если рассматривать статью с точки зрения школьного курса аэродинамики и вычислительной гидродинамики (CFD), кажется 7 класс общеобразовательных учебных заведений.
Ускорение потока над машиной все-же не создает подьемную силу. Для этого должны быть предпосылки, а их, фактически нет.
раздел «Инновации», название «Анализ Коанда-выхлопа».
1. Если вы о горизонтальной планке возле начала понтона, то уплотнение потока ПОД ним никак (или совсем незначительно) не влияет на прижимную силу.
Кулер от слова «cool» - охлаждать. Выхлопные газы температурой 900 гр. врядли сожно назвать охлаждающими. Правильней было бы «нагнетатель»
Хотелось бы услышать пояснения вот к этому предложению. Из школьного курса аэродинамики помню, что при ускорении потока его давление снижается. Соответственно, если ускорить поток НАД машиной, то по-моему, получим подъемную силу вместо прижимной. Поясните, пжлст.